Nghiên cứu sa thải phụ tải theo tần số trong hệ thống điện

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chung về tần số trong hệ thống điện Tần số trong hệ thống điện đóng vai trò hết sức quan trọng, nó đặc trưng cho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội – 2014

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

LỜI CẢM ƠN 5

CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ 10

1.1 Giới thiệu chung về tần số trong hệ thống điện 10

1.2 Lý thuyết sa thải phụ tải theo tần số 11

1.3 Tính toán sa thải phụ tải theo tần số 11

1.3.1 Cơ sở lý thuyết 11

1.3.2 Nguyên lý thực hiện sa thải phụ tải theo tần số 14

1.4 Kết luận chương 16

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ GIỚI THIỆU RƠ LE 18

2.1 Thuật toán sa thải phụ tải theo tần số 18

2.1.1 Sa thải phụ tải theo nấc tần số 18

2.1.2 Sa thải phụ tải theo mức và phối hợp với độ dốc tần số 20

2.2 Giới thiệu rơ le sa thải phụ tải theo tần số 21

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về rơ le 7RW600 21

2.2.2 Các chức năng làm việc của rơ le 7RW600 22

2.3 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG THỨC SA THẢI PHỤ TẢI TRONG HTĐ

VIỆT NAM 28

3.1 Phương pháp sa thải phụ tải 28

3.1.1 Xác định giới hạn mức tần số sa thải: 28

3.1.2 Xác định giới hạn lượng công suất sa thải: 29

3.1.3 Xác định mức cắt tải cho từng cấp tần số: 30

3.1.4 Sử dụng tính năng sa thải phụ tải theo độ dốc: 30

3.2 Thực hiện chố độ cắt tải theo tần số trong hệ thống điện Việt Nam: 31

3.2.1 Phân vùng phụ tải: 31

3.2.2 Phân nhóm các rơ le sa thải phụ tải: 31

3.3 Kết luận chương 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PSSE 36

4.1 Giới thiệu phần mềm PSSE 36

4.2 Đối tượng nghiên cứu 37

4.3 Mô hình các phần tử trong PSSE 37

4.3.1 Mô hình máy phát và các bộ điều khiển máy phát 37

4.3.2 Mô hình rơ le bảo vệ 42

4.4 Kết quả mô phỏng 50

4.4.1 Chế độ xác lập 50

4.4.2 Chế độ sự cố 52

4.5 Kết luận chương 66

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

Kết luận 67

Kiến nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này là do chính bản thân tôi nghiên cứu, tính toán và phân tích.Số liệu đƣợc đƣa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không sao chép của ai hay số liệu đã đƣợc công bố Luận văn

có sử dụng các tài liệu tham khảo đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Nếu lời cam đoan trên là sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả

Nguyễn Chí Thanh

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của bản thân tác giả, còn phải kể đến những sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, bạn bè và gia đình

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS.Nguyễn Thị Nguyệt Hạnh, người đã

giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn Xin cảm ơn các thầy cô thuộc bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

đã có những góp ý quý báu về nội dung của đề tài Đồng thời, tôi cũng xin gửi tới các bạn bè, đồng nghiệp đã cùng tôi trao đổi và giúp tôi tháo gỡ nhiều vướng mắc trong quá trình thực hiện

Cuối cùng tôi xin gửi tới gia đình và người thân, những người luôn bên cạnh tôi, là chỗ dựa tinh thần giúp tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian qua

CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

(phần mềm mô phỏng hệ thống điện)

(Công ty phần mềm Inc Mỹ)

(Viên kỹ thuật Điện – Điện tử Mỹ)

(độ dốc tần số)

(Bộ điều tốc nhà máy nhiệt điện)

(Máy phat cực ẩn)

(Thời gian máy cắt)

(sa thải phụ tải)

(HT điều khiển giám sát và thu thập số liệu)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Thuật toán của rơ le sa thải phụ tải theo 2 mức đặt tần số 19

Hình 2.2 Thuật toán của rơ le sa thải phụ tải theo 2 mức tần số kết hợp với độ dốc tần số 20

Hình 2.3 Rơ le 7RW600 21

Hình 2.4 Sơ đồ logic của bảo vệ tần số 24

Hình 2.5 Sơ đồ logic của bảo vệ theo độ dốc tần số 26

Hình 4.1 Mô hình lưới điện Kundur 37

Hình 4.2 Mô hình máy phát cực ẩn GENROU 38

Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển bộ kích từ AC7B 40

Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển bộ điều tốc TGOV2 42

Hình 4.5 Hoạt động của rơ le sa thải phụ tải 43

Hình 4.6 Mô hình LDSH tác động và khởi động lại 46

Hình 4.7 Đặc tính tần số hệ thống 54

Hình 4.8 Đặc tính tần số của hệ thống theo kịch bản 2 55

Hình 4.9 Kết quả báo cáo của phần mềm PSS/E 56

Hình 4.10 So sánh đặc tính tần số kịch bản 1 và 2 57

Hình 4.11 Đặc tính tần số của hệ thống theo kịch bản 3 58

Hình 4.12 So sánh kịch bản 2 và kịch bản 3 59

Hình 4.13 Kết quả báo cáo của phần mềm PSS/E 60

Hình 4.14 Đặc tính tần số trong kịch bản 4 61

Hình 4.15 So sánh kịch bản 4, kịch bản 3 62

Hình 4.16 Kết quả báo cáo của phần mềm PSS/E 63

Hình 4.17 Đặc tính tần số trong kịch bản 5 64

Hình 4.18 So sánh đặc tính tần số ở kịch bản 3, 4, 5 65

Hình 4.19 Kết quả báo cáo của phần mềm PSS/E cho kịch bản 5 65

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các cấp rơ-le tần số của nhóm I 32

Bảng 3.2 Chỉnh định rơ-le tần số nhóm II 33

Bảng 3.3 Chỉnh định rơ-le tần số nhóm III 34

Bảng 4.1 Thông số mô hình máy phát GENROU 39

Bảng 4.2 Thông số bộ kích từ AC7B 40

Bảng 4.3 Thông số cài đặt cho bộ điều tốc TGOV2 42

Bảng 4.4 Bộ thông số thứ nhất cài đặt cho rơ le sa thải phụ tải theo tần số LDS3AR 46

Bảng 4.5 Bộ thông số thứ 2 cài đặt cho rơ le sa thải phụ tải theo tần số LDS3AR 47

Bảng 4.6 Bộ thông số cài đặt thứ nhất cho rơ le DLSHAR 48

Bảng 4.7 Bộ thông số cài đặt thứ hai cho rơ le DLSHAR 49

Bảng 4.8 Thông tin của các nút trong lưới điện 50

Bảng 4.9 Thông tin về các máy phát 51

Bảng 4.10 Thông tin về các phụ tải và các tụ bù ngang 51

Bảng 4.11 Thông tin về các nhánh 51

Bảng 4.12 Kết quả giải tích lưới điện Kundur chế độ xác lập 52

MỞ ĐẦU

Năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng, cấp thiết hàng đầu của mọi quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu điện năng cũng gia tăng mạnh

mẽ, vì thế Hệ thống điện đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với sự phát triển kinh tế, xã hội, chính trị của đất nước chúng ta Với nhu cầu điện năng tăng vọt như vậy, đòi hỏi phải đầu tư xây dựng thêm nhiều các nguồn điện và nâng cấp lưới điện truyền tải để có thể đáp ứng nhu cầu phụ tải hiện nay Tuy nhiên, hiện nay Hệ thống điện Việt Nam đang gặp phải những vướng mắc tồn tại như sau: i) khó khăn trong việc đầu tư nguồn điện và hệ thống truyền tải, ii) sự tăng trưởng nhanh chóng của phụ tải: theo số liệu của Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia, tốc độ tăng trưởng tải từ năm 2009 trở lại đây luôn cao hơn 10% và dự kiến

sẽ còn tăng cao hơn nữa trong những năm tiếp theo, iii) Khan hiếm trong tài nguyên thiên nhiên để sản xuất ra điện

Do đó, việc thiếu điện trong những thời điểm khi mà nhu cầu phụ tải lớn là không thể tránh khỏi, nhất là trong những trường hợp sự cố gây mất nguồn hay mất đường dây truyền tải quan trọng Các sự cố này cực kỳ nguy hiểm khi nhu cầu phụ tải tăng cao, công suất dự trữ của hệ thống bé Đó có thể là nguyên nhân làm cho hệ thống bị mất ổn định tần số, suy giảm tần số Đây là các sự cố hết sức nghiêm trọng và nếu không có biện pháp xử lý sẽ gây sụp đổ hệ thống Biện pháp hữu hiệu duy nhất trong trường hợp này là sa thải phụ tải theo tần số Tuy nhiên

áp dụng phương pháp này như thế nào để đạt hiệu quả cao là một vấn đề kỹ thuật cần được nghiên cứu

Từ những vấn đề trên, tôi đã lựa chọn việc nghiên cứu các phương pháp sa thải phụ tải theo tần số, có sử dụng phần mềm PSS/E để mô phỏng làm đề tài nghiên cứu của mình

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chung về tần số trong hệ thống điện

Tần số trong hệ thống điện đóng vai trò hết sức quan trọng, nó đặc trưng cho tốc độ quay của tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống Đối với hệ thống điện Việt Nam, châu Á và châu Âu thì tần số định mức được quy định là 50 Hz Các nước Bắc Mỹ như Hoa Kỳ và Canada có tần số định mức được quy định là

60 Hz Theo thông tư 32 bộ công thương quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành hệ thống điện Việt Nam thì sự dao động tần số cho phép là ± 0.2Hz trong chế độ vận hành bình thường [1]

Để hệ thống điện vận hành bình thường và cung cấp điện liên tục thì giữa công suất phát và công suất phụ tải phải đạt trạng thái cân bằng, tuy nhiên trong

hệ thống điện luôn xuất hiện những kích động làm cho hệ thống dao động Có 2 loại kích động: kích động nhỏ và kích động lớn Đối với kích động nhỏ thì các thông số trong hệ thống chỉ biến thiên nhỏ xung quanh giá trị định mức Đối với các kích động lớn thì các thông số biến đổi mạnh, sau nhiều chu kỳ thì hệ thống điện mới trở về làm việc với trạng thái cân bằng mới của hệ thống tùy thuộc vào năng lực của bản thân các bộ điều khiển của hệ thống, hoặc mất hội tụ nếu kích động quá mạnh gây tan rã hệ thống [2] [3]

Tần số của hệ thống điện là thước đo năng lực, khả năng đáp ứng công suất phụ tải của các máy phát trong hệ thống Nếu tần số bị suy giảm tức là hệ thống đang thiếu công suất, hệ thống cần tăng thêm công suất phát, ngược lại nếu tần số tăng tức là hệ thống đang thừa công suất, hệ thống cần giảm công suất phát Điều này được thực hiện tự động qua các bộ điều tốc, điều tần được đặt ở các nhà máy điện Việc tần số nằm ngoài dải vận hành trong khoảng thời gian lớn hơn giới hạn cho phép sẽ được các bảo vệ rơ le của hệ thống tác động để đảm bảo đưa tần số

hệ thống được phục hồi lại tần số định mức Nếu các thiết bị bảo vệ tác động không kịp đưa tần số về định mức dẫn đến sụp đổ hệ thống điện, khi đó các máy phát bị tách lưới [4] Đây là sự cố rất nghiêm trọng trong hệ thống điện

Trong luận văn này, tác giả tập trung đi sâu nghiên cứu tần số hệ thống khi tần

số bị suy giảm và biện pháp khôi phục tần số Đây là một hiện tượng rất phổ biến trong hệ thống điện Viêt Nam khi nhu cầu của phụ tải đang ngày càng tăng và công suất các nguồn phát trong hệ thống không đáp ứng đủ Biện pháp khôi phục tần số được tác giả nghiên cứu là sa thải phụ tải theo tần số sẽ được tác giả trình bày chi tiết cả về lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm PSS/E

1.2 Lý thuyết sa thải phụ tải theo tần số

Như đã trình bày ở trên, tần số hệ thống là thước đo khả năng đáp ứng công suất của nguồn khi có sự thay đổi công suất phụ tải và tần số bị suy giảm nếu như công suất phụ tải lớn hơn khả năng phát của nguồn điện trong hệ thống Có thể do phụ tải tăng đột ngột, hoặc mất các máy phát trong hệ thống Nếu tần số hê thống duy trì ở dưới ngưỡng vận hành quá thời gian cho phép sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc máy phát, các rơ le bảo vệ máy phát sẽ tác động tách dần các máy phát ra khỏi lưới làm cho hệ thống đang thiếu công suất lại càng thiếu trầm trọng, quá trình tiếp tục làm cho tất cả các máy phát bị tách hết gây rã lưới toàn hệ thống Để tránh xảy ra hiện tượng này, một biện pháp vô cùng hữu ích hiện nay là sử dụng các rơ le sa thải phụ tải theo tần số Rơ le này làm việc theo nguyên lý đo tần số

hệ thống và sẽ tác động cắt các phụ tải (đã được cài đặt trước) nếu tần số thấp

được duy trì quá thời gian cho phép Việc sa thải phụ tải sẽ giảm bớt “gánh

nặng” cho các máy phát trong hệ thống Việc sa thải phụ tải đủ nhanh, đủ lớn

công suất sẽ khôi phục được tần số [12] Điều này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng

để vừa tối thiểu khối lượng tải sa thải vừa đảm bảo tính ổn định của hệ thống Dưới đây là trình bày chi tiết về lý thuyết sa thải phụ tải

1.3 Tính toán sa thải phụ tải theo tần số

1.3.1 Cơ sở lý thuyết

A Sự phụ thuộc phụ tải hữu công vào tần số

Theo [2] đặc tính tần số của phụ tải hữu công P có thể được mô tả như sau:

P = P0 + P1(f/fnom) + P2(f/fnom)2 + P3(f/fnom)3 + P4(f/fnom)4 (1)

fnom là tần số danh định của hệ thống

P0 là phụ tải nhiệt

P1 là phụ tải các máy cắt gọt công nghiệp, máy nén khí khi f = fnom

P2 là tổn thất hữu công trên lưới khi f = fnom

P3 là phụ tải máy bơm, quạt gió khi f = fnom

P4 là phụ tải tự dùng của các nhà máy nhiệt điện khi f = fnom

Viết lại biểu thức (1) như sau:

P = P0 + P1f+ P2f2 + P3f3 + P4f4 (2)

Trong đó f = f/fnom (pu)

Sự phụ thuộc của phụ tải vào tần số được mô tả bằng hệ số k= dP/df

Nếu f = fnom thì hệ số k = dP/df = P1+ 2P2 + 3P3 + 4P4

Một cách tổng quát có thể biểu diễn phụ tải như sau:

P = P0 + Pf(f)k (3)

Trong đó:

P0 là phụ tải nhiệt (không phụ thuộc tần số)

Pf là phụ tải quay (phụ thuộc tần số)

Theo kết quả thực nghiệm thì giá trị k dao động trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 Ví

dụ k = 1,5 thể hiện là khi tần số thay đổi 1% phụ tải sẽ thay đổi 1,5% Trên thực

tế với phạm vi tần số khảo sát không lớn chẳng hạn trong khoảng 50 - 45 Hz thì

có thể coi k P/f = const

B Sự phụ thuộc tần số vào cân bằng công suất hữu công

Giả sử tại thời điểm t = 0, công suất phát của các nguồn điện Pphát bằng tổng công suất phụ tải hữu công và tổn thất gọi chung là phụ tải P

Với f nhỏ thì (f/fnom)2 0 biểu thức (9) đươc viết thành:

Pphát = P + (2W0/fnom)df/dt + k Pbasef/fnom (10)

Chuyển biểu thức (10) sang hệ đơn vị tương đối ta có phương trình quay của hệ thống:

T = 2H/k là hằng số thời gian thay đổi tần số (s)

P0 = Pphát - P là mức chênh lệch hữu công ở thời điểm t = 0+ Khả năng thay đổi tần số nhiều hay ít có thể được đánh giá qua tốc độ thay đổi tần

số ban đầu (Hz/s) khi t = 0+:

df/dt = fnomP0/(2H) (14)

Để thuận tiện cho việc tính toán có thể chọn tổng phụ tải hữu công Ptải (MW) ở

fnom làm công suất cơ bản của hệ thống Pbase (MW):

Khi đó biểu htức (14) viết thành:

df/dt = fnomP0/(2HPtải) (16) Trong đó: P0 là thiếu hụt công suất ban đẩu tính bằng MW

1.3.2 Nguyên lý thực hiện sa thải phụ tải theo tần số

A Vai trò của sa thải phụ tải

Từ biểu thức (14) có thể thấy khi phụ tải tăng cao trong giờ cao điểm hay mất công suất phát do sự cố thì P0<0 nên df/dt<0 tức là tần số giảm

Về bản chất vật lý tại thời điểm xuất hiện P0<0, một phần sự thiếu hụt công suất này được bù đắp từ động năng tích trữ của hệ thống dẫn đến vận tốc quay của các phần tử máy phát và phụ tải giảm đi Việc giảm tốc độ quay của các máy phát dẫn đến phản ứng của bộ điều tốc mở cửa nhận nước máy phát thuỷ điện hay mở van nhiên liệu máy phát nhiệt điện để huy động thêm công suất dự phòng của tổ máy Nếu công suất dự phòng không bù đắp được lượng công suất thiếu hoặc bộ điều tốc phản ứng chậm thì tần số tiếp tục giảm và các máy phát có thể sẽ tách lưới do tần số thấp, gây mất điện toàn hệ thống Trong tình huống như vậy cần phải sa thải bớt các phụ tải lập lại cân bằng công suất trước khi các tổ máy phải tách lưới khái niệm “tách lưới” trong các phần dưới đây được hiểu là do tần số thấp

B Các cách sa thải phụ tải

Theo các biểu thức (13) và (14) hiện tượng sụt tần số có thể được nhận biết theo mức tần số f hoặc theo mức tần số kết hợp với giá trị độ dốc tần số df/dt ROCOF (Rate Of Change Of Frequency) Đây là 2 nguyên lý phổ biến nhất được sử dụng trong các rơ le sa thải phụ tải theo tần số hiện nay

 Sa thải phụ tải theo mức tần số:

Các rơ-le tần số khởi động khi tần số giảm thấp hơn mức tần số chỉnh định fcđ và tác động cắt tải sau thời gian chỉnh định tcđ Tần số fcđ nằm trong dải tần số ftrên

và fdưới (Hz), trong đó: ftrên phải thấp hơnfnom để tránh việc cắt tải khi mức sụt tần

số nằm trong phạm vi mà các tổ máy có thể tự khôi phục về fnom nhờ các bộ điều

tốc; fdưới phải cao hơn giá trị lớn nhất trong các mức tần số tách lưới giữ tự dùng của các tổ máy trong hệ thống

Các cấp tần số fcđ có thể được phân bố đều trong phạm vi ftrên đến fdưới với số cấp là:

Giá trị Ptổng trong biểu thức trên chỉ có ý nghĩa xác định lượng tải tối đa có thể bị

sa thải Trong từng trường hợp mất công suất cụ thể, lượng phụ tải sa thải tương ứng với mức sụt tần số, còn mức sụt tần số lại tương ứng với lượng công suất thiếu hụt và trạng thái hệ thống, nghĩa là lượng phụ tải sa thải luôn tương ứng với

sự thiếu hụt công suất Đây là đặc tính tự điều chỉnh của bảo vệ sa thải phụ tải Với cùng giá trị Ptổng nếu số cấp cắt tải n càng lớn thì Pcđcàng nhỏ và tổng lượng tải bị sa thải theo các cấp tần số càng sát với lượng công suất thiếu, tức là càng hạn chế việc cắt thừa tải ở các cấp

Việc sa thải theo mức tần số có ưu điểm là không đòi hỏi chính xác cao trong tính toán trạng thái quá độ, có thể áp dụng ngay cả khi thông tin về máy phát và điều tốc không đầy đủ

Nhược điểm của phương pháp sa thải này là phụ tải chỉ bắt đầu được cắt sau khi tần số xuông dưới ftrên , nên nếu độ dốc tần số ban đầu rất lớn thì tần số có thể giảm xuống thấp hơn fdưới trước khi phụ tải kịp sa thải ở các cấp fcđ do thời gian

mở các máy cắt khá lớn (nhất là các máy cắt thuộc lưới điện phân phối điện áp thấp)

 Sa thải phụ tải kết hợp giữa mức tần số và độ dốc tần số:

Từ biểu thức (14) có thể xác định được lượng công suất thiếu hụt P0 ứng với từng độ dốc df/dt Các rơ-le tần số tác động theo độ dốc được chỉnh định theo các tốc độ (df/dt)cđvà thời gian trễ tcđ tại cùng một mức tần số fcđ Lượng tải cắt ở từng cấp độ dốc Pcđ (pu) có thể được phân bố đều như đã nêu ở trên

Về lý thuyết có thể đặt fcđ = fnom nếu phân biệt được độ dốc tần số trong tình huống sụt tần số mà bộ điều tốc khắc phục được (nghĩa là không cần cắt tải) với tình huống nằm ngoài khả năng của bộ điều tốc (bắt buộc phải cắt tải) Điều này cho phép thực hiện cắt tải ngay khi xuất hiện sự thiếu hụt công suất do vậy nâng cao khả năng phục hồi tần số Đây là ưu điểm cơ bản so với phương pháp sa thải phụ tải theo mức tần số Tuy nhiên việc cắt tải theo độ dốc đòi hỏi sự chính xác cao khi tính toán trạng thái quá độ của hệ thống để xác định được độ dốc tần số theo các giá trị P0 và H khác nhau trong quá trình vận hành

Việc sa thải phụ tải theo mức tần số hay độ dốc tần số nói trên nhằm ngăn chặn khả năng tần số hệ thống giảm thấp hơn fdưới gây tách lưới các tổ máy Quá trình phục hồi tần số về giá trị fnom sau đó nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào trị số H và sự chênh lệch giữa lượng tải sa thải so với lượng công suất thiếu hụt Trong trường hợp sự phục hồi tần số quá chậm cần phải sử dụng cắt tải hỗ trợ Việc cắt tải này được thực hiện bằng rơ-le tác động theo mức tần số với mức chỉnh định fcđ nằm trong khoảng ftrên  fcđ <fnom Thời gian chỉnh định cho các rơ-le này phải lớn hơn

tcđ của các rơ-le sử dụng để chống tách lưới Tổng lượng tải có thể bị sa thải theo các cấp cắt hỗ trợ này là 10% hoặc cao hơn

1.4 Kết luận chương

Như vậy để đảm bảo cho hệ thống điện ổn định sau khi xảy ra kích động lớn thì việc sa thải phụ tải trong hệ thống là rất quan trọng, nó đòi hỏi sự tính toán chọn lọc để cứu hệ thống, trong mỗi phương pháp đều thể hiện được việc đưa hệ thống

trở lại trạng thái cân bằng khi hệ thống xảy ra kích động Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng

Dựa trên nghiên cứu lý thuyết theo tài liệu [2], tác giả cho rằng: Phương pháp cắt tải theo mức tần số đảm bảo được tính chọn lọc về đối tượng sa thải, tuy nhiên khi

mà độ dốc tần số lớn tương ứng với các sự cố nghiêm trọng trên lưới thì phương pháp này tác động không hiệu quả Trong những trường hợp này, phương pháp theo độ dốc tần số là lựa chọn tối ưu Nó đảm bảo tác động tức thì và sa thải 1 lượng lớn công suất phụ tải, do đó tần số hệ thống sẽ được cứu vãn kịp thời Tuy nhiên nó lại không đảm bảo được tính chọn lọc với các phụ tải ưu tiên

Do đó, trong luận văn này tác giả nghiên cứu so sánh ưu nhược điểm của 2 phương pháp sa tải trên, bằng cách thực hiện mô phỏng và phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng trên phần mềm PSS/E

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ GIỚI

THIỆU RƠ LE

Việc sa thải phụ tải theo tần số phải được tiến hành một cách tự động bằng cách

sử dụng các rơ le số Hiện nay, có rất nhiều có loại rơ le có chức năng sa thải phụ tải theo tần số của nhiều nhà sản xuất rơ le trên thế giới Trong chương 2, tác giả

sẽ giới thiệu một số thuật toán sa thải phụ tải theo tần số ở mục 2.1 và trình bày chi tiết 1 dòng rơ le có chức năng sa thải phụ thải theo tần số được sử dụng phổ biến hiện nay

2.1 Thuật toán sa thải phụ tải theo tần số

Có 2 phương pháp sa thải phụ tải theo tần số được dùng phổ biến hiện nay: sa thải phụ tải theo nấc tần số và sa thải phụ tải theo nấc tần số kết hợp với giá trị độ dốc tần số Dưới đây trình bày 2 thuật toán tương ứng với 2 phương pháp này

2.1.1 Sa thải phụ tải theo nấc tần số

Tần số f

f < f1 Timer 1 khởi động t > t1

Reset Timer 1

f < f2 Timer 2 khởi động

t > t2 Reset Timer 2

Tác động các MC nhóm 1 Tác động các MC

nhóm 2

No Yes

No

Yes No

Yes

Hình 2.1 Thuật toán của rơ le sa thải phụ tải theo 2 mức đặt tần số

Rơ le liên tục nhận dữ liệu điện áp dây Ubc từ các máy biến điện áp Rơ le sẽ tính toán giá trị tần số từ giá trị của Ubc, do đó nếu Ubc quá bé (Ubc < Unguong) thì giá trị tần số tính toán được không đáng tin cậy vì thế trong trường hợp này rơ

le sẽ gửi tín hiệu logic khóa chức năng sa thải phụ tải Ngược lại giá trị tần số sẽ được tính toán Sau đó, giá trị tần số này được so sánh với các mức tần số đã được cài đặt Nếu tần số bé hơn mức đặt bộ đếm thời gian của mức đặt tương ứng sẽ được kích hoạt Nếu mức tần số này được duy trì trong thời gian t = ti (ti là thời gian đặt cho ngưỡng i) thì rơ le sẽ gửi tín hiệu cắt đến nhóm máy cắt tương ứng Ngược lại bộ đếm thời gian sẽ được khởi động lại

2.1.2 Sa thải phụ tải theo mức và phối hợp với độ dốc tần số

f < f2

df > df2 Timer 2 khởi động

t > t2 Reset Timer 2

Tác động các MC nhóm 1 Tác động các MC

nhóm 2

No Yes

No

Yes No

Yes

Hình 2.2 Thuật toán của rơ le sa thải phụ tải theo 2 mức tần số kết hợp với độ dốc

tần số

Khác với rơ le chỉ sử dụng mức tần số, ở loại rơ le này sẽ tính thêm độ dốc tần

số ROCOF Nếu cả 2 điều kiện này thỏa mãn, rơ le sẽ tiến hành khởi động bộ đếm và sẽ gửi tín hiệu cắt nếu nhƣ qua thời gian cài đặt Cũng giống nhƣ trên,

chức năng sa thải phụ tải theo tần số chỉ hoạt động nếu như độ lớn điện áp đưa vào rơ le lớn hơn ngưỡng đặt

2.2 Giới thiệu rơ le sa thải phụ tải theo tần số

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất rơ le trên thế giới có những dòng sản phẩm

có chức năng sa thải phụ tải theo tần số Các rơ le này có rất nhiều tính năng cho người dùng có thể lựa chọn và cài đặt cho phù hợp với đối tượng được bảo vệ Dưới đây, tác giả sẽ trình bày chi tiết chức năng và nguyên lý hoạt động của dòng

rơ le 7RW600 [9]

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về rơ le 7RW600

Hình 2.3 Rơ le 7RW600

Dòng rơ le 7RW600 là sản phẩm của hãng SIEMENS Với nhiều chức năng bảo

vệ chính như sau: chức năng bảo vệ quá, thiếu điện áp; chức năng bảo vệ quá tần

số và tần số thấp; chức năng chống bão hòa mạch từ Thêm vào đó, rơ le 7RW600

có thêm chức năng sa thải phụ tải theo tần số [9]

Dòng rơ le 7RW600 được dùng phổ biến trong các nhà máy điện và trạm biến áp, với mục đích bảo vệ máy phát điện và máy biến áp chống lại các sự cố trên lưới gây ra các hiện tượng không đảm bảo điện áp cũng như tần số vận hành; gây bão hòa mạch từ trong máy biến áp Ngoài ra, nếu muốn sử dụng rơ le này để sa thải phụ tải theo tần số thì tín hiệu cắt của rơ le phải được kết nối với các máy cắt đầu xuất tuyến đường dây [9]

Với các sự cố được rơ le phát hiện (hoặc tác động), bản ghi sự cố có thể lưu trữ tối đa 5s đối với các giá trị đo tức thời, rất thuận tiện cho các nhân viên vận hành trong việc phân tích sau sự cố

Dưới đây là một số đặc điểm của rơ le 7RW600:

- Bộ vi điều khiển 16-bit

- Kém nhạy đối với các hiện tượng quá độ

- Có thể kết hợp giữa các chức năng bảo vệ và các chức năng giám sát

- Có thể cài đặt và vận hành đơn giản thông qua mặt rơ le hoặc kết nối với máy tính

cá nhân PC thông qua cáp nối và phần mềm chuyên dụng giao tiếp với rơ le

- Có thể lưu trữ các dữ liệu tức thời trước, trong và sau sự cố (tối đa 5s)

2.2.2 Các chức năng làm việc của rơ le 7RW600

 Chức năng bảo vệ thấp áp:

o Chỉ có 1 ngưỡng cài đặt kém áp cho chức năng này

o Có 2 điện áp có thể được xử lý với sơ đồ đấu dây 1 pha

o Điện áp thứ thự thuận có thể được xử lý với sơ đồ đấu dây 2 pha (đấu chữV)

 Chức năng bảo vệ quá điện áp:

o Có 2 ngưỡng cài đặt với các thông số riêng biệt cho chức năng này

o Có 2 điện áp có thể được xử lý với sơ đồ đấu dây 1 pha

o Điện áp dây có thể được xử lý với sơ đồ đấu dây 2 pha (đấu chữ V)

 Chức năng bảo vệ theo tần số:

o Có 4 ngưỡng cài đặt riêng biệt cho chức năng quá tần và kém tần

o Cho độ chính xác cao

o Kém nhậy với sóng hài và dịch pha

o Có thể điều chỉnh ngưỡng điện áp vận hành tối thiểu

 Chức năng bảo vệ theo độ dốc tần số:

o Có 4 ngưỡng cài đặt riêng biệt cho chức năng này

o Có thể điều chỉnh ngưỡng điện áp vận hành tối thiểu

 Chức năng chống bão hòa mạch từ:

o Tính toán giá trị U/f

o Có thể lựa chọn đường đặc tính

o Có thể điều chỉnh được các cảnh báo và tín hiệu tác động theo ngưỡng

Vì trong luận văn này chỉ nghiên cứu về sự ảnh hưởng của lý thuyết sa thải phụ tải theo tần số đối với tính ổn định của hệ thống, nên dưới đây tác giả xin được trình bày kỹ về chức năng bảo vệ tần số thấp của rơ le 7RW600

 Bảo vệ tần số thấp:

Bảo vệ theo tần số thấp khởi động khi phát hiện tần số tại vị trí đặt rơ le nằm dưới ngưỡng đặt của rơ le Sau thời gian trễ được cài đặt, nếu tần số hệ thống không được khôi phục thì rơ le truyền tín hiệu cắt Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của

rơ le, có thế dùng để tách miền, có thể dùng sa thải phụ tải, hoặc tách máy phát ra khỏi lưới mà truyền tín hiệu cắt đến máy cắt phù hợp Nguyên nhân của tần số suy giảm có thể do phụ tải yêu cầu lượng công suất lớn, do mất máy phát quan trọng hay do lỗi của bộ điều tốc máy phát, vv

Hình 2.4 Sơ đồ logic của bảo vệ tần số

Ở đây, giá trị của tần số đƣợc xác định từ đầu vào điện áp giữa 2 dây pha (điện áp dây) Giá trị của tần số còn đƣợc xử lý nếu nhƣ độ lớn của điện áp pha còn đủ lớn

và tần số còn nằm trong dải hoạt động của rơ le Nếu độ lớn giá trị điện áp bé dưới ngưỡng cài đặt, chức năng tần số thấp sẽ được khóa lại Ngoài ra, chức năng này còn có thể bị khóa lại bởi 1 số tín hiệu logic nhị phân ở ngoài (ví dụ: từ các nút bấm bằng tay, liên động,…) Trên hình 1.2 là sơ đồ logic của chức năng bảo

vệ tần số thấp [9]

 Bảo vệ theo độ dốc của tần số:

Để phối hợp với chức năng bảo vệ tần số thấp, chúng ta sử dụng thêm giá trị độ dốc của tần số Việc sử dụng giá trị độ dốc của tần số đảm bảo thời gian tác động của rơ le tần số thấp nhanh hơn thay vì phụ thuộc vào các đặc tính thời gian được cài đặt sẵn Việc tần số trong hệ thống suy giảm dưới ngưỡng cài đặt thường do các sự cố lớn trong hệ thống hoặc do 1 lượng công suất phụ tải lớn hơn công suất

dự trữ của hệ thống được đóng vào lưới, những nguyên nhân này làm giá trị độ dốc tần số rất lớn Việc phát hiện được sự thay đổi nhanh của tần số có thể làm cho thời gian trễ của bảo vệ tần số giảm xuống, đảm bảo thời gian tác động nhanh

và tăng tính ổn định của hệ thống

Hình 2.5 Sơ đồ logic của bảo vệ theo độ dốc tần số

Trên hình 1.3 là sơ đồ logic của chức năng bảo vệ theo độ dốc tần sô trong rơ le 7RW600 [9] Giống như đầu vào của chức năng bảo vệ tần số thấp, giá trị của tần

số cũng được xác định từ đầu vào điện áp giữa 2 dây pha, và giá trị của tần số còn được xử lý nếu như độ lớn của điện áp pha còn đủ lớn và tần số còn nằm trong dải hoạt động của rơ le Nếu độ lớn giá trị điện áp bé dưới ngưỡng cài đặt, chức năng tần số thấp sẽ được khóa lại Chức năng này còn có thể bị khóa lại bởi 1 số tín hiệu logic nhị phân ở ngoài (ví dụ: từ các nút bấm bằng tay, liên động,…)

2.3 Kết luận chương

Hai thuật toán sa thải phụ tải theo nấc tần số và theo độ dốc tần số được giới thiệu ở trong chương hai này sẽ được sử dụng trong phần thực hiện mô phỏng ở chương 4 của luận văn

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG THỨC SA THẢI PHỤ TẢI

TRONG HTĐ VIỆT NAM

Như đã nói ở trên tự động sa tải phụ tải khi tần số thấp là biện pháp cuối cùng cho hệ thống điện để ngăn chặn sự sụp đổ lan rộng trong hệ thống điện Tuy nhiên lựa chọn sa thải phụ tải như thế nào để phù hợp với mỗi quốc gia, mỗi vùng trong

hệ thống điện phải được nghiên cứu kỹ lưỡng đảm bảo lượng công suất phụ tải bị

sa thải một cách hợp lý và chọn lọc Với mục tiêu vừa tăng độ tin cậy cho chế độ vận hành lưới điện mà vẫn đảm bảo tính ổn định của hệ thống Dưới đây là 1 số khía cạnh cần được quan tâm trong việc tính toán cài đặt cho các rơ le sa thải phụ tải theo tần số:

- Xác định giới hạn mức tần số sa thải

- Xác định giới hạn lượng công suất sa thải

- Xác định mức cắt tải cho từng cấp tần số

- Sử dụng thêm tính năng cắt tải theo độ dốc tần số

Trong chương 3, tác giả sẽ trình bày chi tiết các khía cạnh trên trong việc áp dụng các phương pháp sa thải phụ tải trong HTĐViệt Nam

3.1 Phương pháp sa thải phụ tải

3.1.1 Xác định giới hạn mức tần số sa thải:

Đối với HTĐ Việt Nam hiện tại sử dụng cắt tải theo mức tần số vì những ưu điểm của phương pháp này như đã nêu trên

Việc xác định các mức tần số khởi động của rơ le tần số được thực hiện kỹ lưỡng

để đảm bảo tính ổn định của hệ thống Hiện này, ngưỡng trên của rơ le tần số đang được cài đặt là ftrên = 49,0Hz Do tổ máy có thể tách lưới sớm nhất là tuabin khí Phú Mỹ 2.1 ở mức 47,5Hz nên phải chọn tối thiểu fdưới = 47,6Hz

Cần lưu ý rằng nhiệm vụ của hệ thống sa thải phụ tải theo tần số là đưa tần số trở

về trong giới hạn điều chỉnh của các tổ máy (trên 49.0Hz) Phần điều chỉnh tần số trong phạm vi trên 49.0 Hz không liên quan đến chế độ cắt tải theo tần số

3.1.2 Xác định giới hạn lượng công suất sa thải:

Việc sa thải phụ tải Ptổng (pu) phải ngăn tần số không giảm thấp hơn 47,6Hz

Do vậy giá trị Ptổng (pu) phụ thuộc vào lượng công suất thiếu hụt P0 (pu) lớn nhất có thể xảy ra và trị số H nhỏ nhất của hệ thống khi xảy ra thiếu hụt đó Tuy nhiên cũng cần lưu ý là nếu giá trị Ptổng xác đinh theo cách này là quá lớn (chẳng hạn trên 80%) và xác suất xảy ra sự cố phải sa thải hết toàn bộ các cấp lại

là quá nhỏ thì việc cất tải sẽ mất ý nghĩa thực tế vì : lượng phụ tải”giữ” lại sau khi sa thải rất nhỏ nên hiệu quả kinh tế đem lại từ việc cấp điện liên tục cho các phụ tải này là không cao tăng chi phí thiết bị và vận hành do phải bố trí thêm nhiều rơ-le tần số để phòng tránh một sự cố với xác suất xảy ra rất thấp

Từ biểu thức (16) có thể xác định tình huống suy giảm tần số nghiêm trọng nhất

là khi P0 lớn nhất đồng thời Ptải nhỏ nhất và H nhỏ nhất

Đối với HTĐ Việt Nam thì giá trị P0 (MW)là lớn nhất trong các trường hợp mất

2 tổ máy Hoà Bình 2x240MW (đối với toàn hệ thống liên kết) hoặc cắt đường dây 500kV ở thời điểm đang truyền tải cao vào lưới điện miền Nam hay miền Bắc (đối với hệ thống điện miền)giá trị Ptải (MW) là nhỏ nhất vào giờ phụ tải thấp điểmgiá trị H (s) nhỏ nhất vào thời điểm có ít tổ máy đang quay nhất (bỏ qua ảnh hưởng của phụ tải quay)

Tình huống mất đường dây 500kV là nguyên nhân thường gặp nhất mà có thể gây sụt tần số nghiêm trọng cho hệ thống điện miền Theo các tính toán của Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia để đảm bảo yêu cầu về ổn định động lượng công suất truyền trên đường dây 500kV không được vượt quá 700MW Theo dự kiến huy động nguồn năm 2000 thì lượng công suất từ đường dây 500kV đưa vào miền Nam hay miền Bắc tại một vài thời điểm có thể chiếm tới 40% phụ tải Để đảm bảo phục hồi tần số với tỷ lệ mất công suất như vậy thì lượng phụ tải sa thải phải ở mức 50-55% [5]

Giới hạn phụ tải tối đa có thể sa thải áp dụng cho HTĐ Việt Nam là 55%

Lượng phụ tải sa thải ở các cấp hỗ trợ phục hồi tần số phải là 10% trở lên Đối với HTĐ Việt Nam các cấp cắt tải này được chỉnh định mức tần số 49.0Hz và các mức trễ thời gian 10s, 15s, 20s, 25s Lượng phụ tải sa thải ở mỗi mức thời gian là 2.5%

3.1.4 Sử dụng tính năng sa thải phụ tải theo độ dốc:

Ta thấy rằng việc sa thải phụ tải trong các tình huống tần số thấp có khả năng phục hồi tần số hệ thống tránh rã lưới là hoàn toàn khả thi

Tuy nhiên tại một số khu vực lưới điện chỉ liên kết với hệ thống qua một đường dây truyền tải (chẳng hạn khu vực miền Tây Nam bộ) Sự cố mất đường dây này khi lưới điện khu vực đang nhận từ hệ thống một lượng công suất cao (trên 50% phụ tải khu vực) sẽ gây ra sụt tần số nghiêm trọng mà tác động của các cấp tần số nêu trên không đủ để phục hồi

Do vậy để tránh khả năng tách lưới giữ tự dùng của các tổ máy trong khu vực khi xảy ra tình huống sự cố như trên cần phải áp dụng cắt tải theo độ dốc tần số Việc mất nhiều công suất được thể hiện qua tốc độ sụt tần số ban đầu khá lớn Các rơ-

le cắt tải theo độ dốc sử dụng cho các khu vực này được chỉnh định độ dốc tác động ứng với lượng công suất thiếu hụt vượt quá khả năng phục hồi tần số của các cấp cắt tải theo mức tần số

3.2 Thực hiện chố độ cắt tải theo tần số trong hệ thống điện Việt Nam:

- Khu vực 2: Lưới điện miền Tây Nam Bộ gồm các trạm 110kV Trà Nóc, Đài PT Nam Bộ, Long Xuyên, Châu Đốc, Chung Sư, Rạch Giá, Kiên Lương, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Cần Thơ, Bình Thuỷ, Sa Đéc, Vĩnh Long, Trà Vinh, Nhiệt điện S4

- Khu vực 3: Lưới điện khu vực Đồng Nai - Bà Rịa gồm các trạm 110kV Đồng Nai, Vicasa, Biên Hoà, Thủ Đức Bắc, Long Bình, An Bình, Amata, Xuân Lộc, Tuy Hạ, Gò Dầu, Long Thành, Vũng Tàu

- Khu vực 4: Lưới điện vùng cao nguyên Nam Trung Bộ gồm các trạm 110kV Cam Ranh, Nha Trang Sợi Nha Trang, Tháp Chàm, Phan Rí, Phan Thiết và trạm 66kV

Đà Lạt, Sông Pha

- Khu vực 5: Lưới điện của HTĐ miền Bắc ngoại trừ khu vực 1

- Khu vực 6: Lưới điện của HTĐ miền Nam ngoại trừ khu vực 2, 3, 4

- Khu vực 7: Lưới điện của HTĐ miền Trung ngoại trừ khu vực 4

Các khu vực 1 - 4 có đặc điểm chung là chỉ được kết nối với hệ thống điện quốc gia qua 1 hoặc 2 đường dây hay MBA, nghĩa là có nhiều khả năng bị tách hệ thống khi có sự cố mất các đường dây liên kết hay MBA này

3.2.2 Phân nhóm các rơ le sa thải phụ tải:

Đối với hệ thống điện Việt Nam phương pháp sa thải phụ tải mới được thực hiện bởi 3 nhóm rơle Nhóm I và II áp dụng cho toàn hệ thống điện (các khu vực

1 - 7), nhóm III hiện tại chỉ áp dụng cho các khu vực 1, 2, 3, 4 Việc phân nhóm rơ-le tần số được thực hiện như sau:

Các rơ-le tần số của nhóm này tác động tức thời để cắt tải khi tần số giảm xuống dưới giá trị đặt nhằm ngăn chặn khả năng sụt tần số dưới 47.5Hz (bảng 1)

dụng được mức cắt tải hiệu quả ở tần số 47,8Hz Vì vậy so với dự kiến ban đầu sẽ phải thay đổi mức sa thải trên lưới điện miền Nam ở 48,0Hz từ 5% lên 15% (gộp chung với mức sa thải 10% ở 47,8Hz) còn 15% phụ tải sa thải ở 47,6Hz sẽ chuyển lên 47,8Hz

 Nhóm II:

Tác dụng của các rơ-le nhóm II là nâng mức tần số của hệ thống vào vùng hoạt động của các bộ điều khiển tần số của nhà máy sau khi sự suy giảm tần số đã được ngăn chặn nhờ tác động của nhóm I Trị số chỉnh định và lượng cắt tải của nhóm II xem bảng 2

Tương tự như nhóm I, lượng công suất cần phải sa thải ở các cấp rơ-le nhóm II sẽ được phân bố theo tỷ lệ phụ tải từng khu vực 1 - 7 trong mọi chế độ hệ thống điện

Tổng lượng phụ tải sa thải theo nhóm I và II là 65% phụ tải khu vực

 Nhóm III:

Nhóm III là các rơ-le hoạt động theo độ dốc tần số, áp dụng cho các khu vực 1,

2, 3, 4 Trong nhiều chế độ vận hành tại các khu vực này chỉ có 1 - 2 tổ máy phát hữu công, đáp ứng không quá 40% phụ tải khu vực Khi đó sự cố tách lưới điện khu vực sẽ gây mất một lượng lớn (trên 50%) công suất, đồng thời vì có rất ít tổ máy đang hoạt động nên tần số suy giảm rất nhanh và tác động của các cấp tần số nhóm I không ngăn được việc sụt tần số xuống dưới mức tách lưới giữ tự dùng của các tổ máy trong khu vực Sử dụng cắt tải theo độ dốc tần số cho phép thực hiện sa thải phụ tải một cách chọn lọc để khôi phục tần số trong tình huống này Đối với toàn hệ thống điện quốc gia hay hệ thống điện miền thì xác suất mất công suất trên 50% là rất thấp nên hiện tại chưa xem xét